GPS-RTK與全站儀在施工工程測量中的配合應(yīng)用

秦偉榮

（上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，上海 200092）

0 引 言

在施工工程測量中通常使用的儀器主要有全站儀，GPS 等。全站儀，廣泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程測量或變形監(jiān)測領(lǐng)域。GPS 系統(tǒng)具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應(yīng)用廣泛等特點。

GPS-RTK 主要優(yōu)點：①不需要通視；②誤差不會累計；③不受天氣影響，靠衛(wèi)星定位作業(yè)，全天候作業(yè)；④工作效率高。缺點：①需要得到當(dāng)?shù)?CORS 站數(shù)據(jù)或七參數(shù)才能轉(zhuǎn)換至當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系；②在有遮擋的地區(qū)誤差較大，有時甚至接受不到衛(wèi)星信號；③高程誤差有時較大，需要通過測量當(dāng)?shù)馗叱虜?shù)據(jù)進(jìn)行大地高與正常高之間的轉(zhuǎn)換，又需要知道高程異常數(shù)據(jù)，比較麻煩。

全站儀主要優(yōu)點：①價格便宜（常規(guī)全站儀相對 RTK）；②測量精度高；③不需要衛(wèi)星信號，因此不受室內(nèi)室外，樹下，高樓旁等因素影響。缺點：①需要通視；②測程短。

因此，全站儀和 GPS 雖各有優(yōu)點，但是其各自缺點也非常明顯。實際工作中許多情況下單一選擇 GPS 或者全站儀進(jìn)行工作都會影響工作質(zhì)量和工作的效率，有時可能大大增加工作量，無形間提高了成本浪費了時間。所以如果能把兩者結(jié)合，取其優(yōu)點，強(qiáng)強(qiáng)結(jié)合無疑是最好的解決辦法。

1 工程概況

1.1 項目簡介

本工程為中山大學(xué)·深圳建設(shè)工程項目施工總承包（Ⅲ標(biāo)），該工程施工范圍大，建筑用地面積約為 657 500 m2，Ⅲ標(biāo)發(fā)包范圍的總建筑面積約為 510 000 m2，地形復(fù)雜，學(xué)校圍繞山區(qū)建造（見圖1），場地內(nèi)以豬婆山、豬公山、東北側(cè)無名山為高點，高程分別為 126.02、113.11、101.63 m。山體周邊自然邊坡坡度上陡下緩。坡體上部坡角為 35°～45°為主，局部可達(dá) 60°；植被主要為桉樹、松樹等喬木。中下部坡度較緩，并經(jīng)由人工開發(fā)成種植用地，坡角為 12°～25°為主。

圖1 中山大學(xué)·深圳校區(qū)效果圖

場地內(nèi)豬公山與豬婆山北麓、東部無名山南麓由于修建工業(yè)園區(qū)、東森駕校訓(xùn)練場等已經(jīng)整平，使局部坡體底部形成較陡立的人工邊坡，高度 2.5～5.0 m 不等，局部可達(dá) 20.0 m，坡角為 30°～45°，局部可達(dá)50°。

由于場地較大，如果單一選擇全站儀工作效率低下且不經(jīng)濟(jì)，單一選擇 GPS 工作，許多樹林房屋附近無信號，工作困難。因此考慮把兩者結(jié)合各取其優(yōu)點，不僅能加快工作效率提高工作進(jìn)度更能大大減少工作量并提高質(zhì)量。

1.2 工程重點難點

本工程在綜合樓有高差為 20 m，坡度 50°的高大邊坡工程，施工期間應(yīng)合理安排施工場地，并做好與場地的有效隔斷，防止邊坡支護(hù)危及下部安全，同時嚴(yán)禁其他人員進(jìn)入施工區(qū)域，對邊坡體局部危險部位還應(yīng)增加其他防護(hù)措施。工程施工組織安排在雨季，而且在該邊坡 52 m 填方平臺上有 200 t 大型機(jī)械設(shè)備，因此要對該邊坡進(jìn)行監(jiān)測以防止邊坡大規(guī)模塌方。

使用 GPS 從首級控制點處進(jìn)行點校正，并使用基站平移對測區(qū)控制點進(jìn)行復(fù)核，然后在平臺 52 m 處的東西方向不受影響的地方做 2 個監(jiān)測基本點，并在邊坡外邊線上設(shè)置 10 個監(jiān)測工作點。然后再使用 GPS 測出所有點的絕對坐標(biāo)數(shù)據(jù)，再結(jié)合全站儀在 2 個基本點上架設(shè)儀器，使用小角法對每個監(jiān)測點進(jìn)行觀測，求出每點的水平位移量，使用水準(zhǔn)儀測出垂直位移量，觀測是否超出預(yù)警值。使用 GPS 結(jié)合全站儀，大大減少單一使用全站儀進(jìn)行引點的工作量，克服了只使用全站儀增加工作量，和只使用 GPS 精度達(dá)不到要求的問題。

2 測量儀器的選取

本工程測量儀器使用 GPS-RTK，采用華測 X10、單站動態(tài)定位技術(shù)，一臺 GPS 接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，另外一臺作為流動站，基準(zhǔn)站把差分改正數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅鲃诱荆瑥亩鴮崿F(xiàn)實時的載波相位差分定位。手簿軟件為測繪通 LandStar 7.3.1 靜態(tài)精度：平面精度為±（2.5+ 0.5×10-6×D）mm；高程精度為 ±（5+0.5×10-6×D）mm。RTK 精度：平面精度為 ±（8+1×10-6×D）mm；高程精度為 ±（15+ 1×10-6×D）mm。

全站儀采用徠卡 TS60 系列儀器。測距精度為0.6 mm+1 ppm。測角精度：0.5＂。

3 測量實施

控制網(wǎng)測量按 GPS E 級網(wǎng)首級精度控制。天線的對中采用精密對點器，對點精度＜1 mm，每時段觀測前后分別量取天線高，誤差≤2 mm，取兩次平均值作為最終結(jié)果。各項操作嚴(yán)格按照 GPS 測量規(guī)范要求。GPS 網(wǎng)的同步環(huán)坐標(biāo)分量，最弱點點位中誤差，邊長相對中誤差等精度指標(biāo)均符合規(guī)范要求。復(fù)測成果與原成果相差甚微。并對所有 GPS 加密點按照四等水準(zhǔn)測量規(guī)范測量。水準(zhǔn)測量往返測閉合差平差計算獲得最后的高程數(shù)據(jù)。

3.1 GPS-RTK 測量

3.1.1 測量方法

先將需要測量的土方范圍在施工平面圖上找出，然后輸入手簿中，在現(xiàn)場先放出點位，用膩子粉灑出范圍，使用華測手簿軟件測地通的“點測量”，使用快速地形點現(xiàn)場進(jìn)行 10m×10 m 的網(wǎng)格測量，并把測量數(shù)據(jù)進(jìn)行編號。

3.1.2 內(nèi)業(yè)處理

內(nèi)業(yè)軟件使用南方 CASS7.1 for 2006 版，依次點擊菜單欄→繪圖處理→展高程點，把所測數(shù)據(jù)使用 PL 命令連成閉合圖形，再在菜單工程應(yīng)用→方格網(wǎng)土方計算，計算出土方量。

表1 測量儀器比較結(jié)果

3.2 全站儀測量

3.2.1 全站儀極坐標(biāo)法

在已知控制點上架設(shè)全站儀，在后視點上架設(shè)棱鏡，在所測范圍內(nèi)放出角點坐標(biāo)位定出土方測區(qū)范圍。然后用簡易腳架測量地面點數(shù)據(jù)（包括平面位置與高程），主要對 GPS 測不到的區(qū)域進(jìn)行加密測量，比如建筑物邊線位置，靠近樹林的位置。

3.2.2 內(nèi)業(yè)處理方法

把全站儀中的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳入電腦，并和 GPS 數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，剔除錯誤數(shù)據(jù)，容錯率不能超過 5 %，把 2 份數(shù)據(jù)疊加后生成完整的區(qū)域土方范圍數(shù)據(jù)，通過南方 CASS 計算填、挖方量（見圖2）。

圖2 使用 GPS-RTK 結(jié)合全站儀數(shù)據(jù)導(dǎo)入 CASS 生成方格網(wǎng)模型

3.3 單一使用一種儀器遇到的問題

在本工程測量過程中，單一使用 GPS 時精度能夠達(dá)到 E 級網(wǎng)要求，但是遇到房角點或者進(jìn)入樹林中時 GPS 基本不可用，單一使用全站儀在本工程中因為場地原因，工作量大大增加，工作效率十分低下。因此把兩者結(jié)合使用時不僅解決了 GPS 沒有信號許多地方不能使用的問題，還大大提高了工作效率［1-2］。

GPS-RTK 在工作前需要進(jìn)行參數(shù)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換參數(shù)采用重合點求七參數(shù)的方法進(jìn)行，在該工程中，選擇了 5 個首級控制點進(jìn)行點校正，首級控制點盡量覆蓋測區(qū)所有范圍。把基準(zhǔn)站設(shè)在測區(qū)內(nèi)周圍空曠且地勢較高處，采用電臺發(fā)射模式，充分發(fā)揮了 GPS-RTK 作業(yè)半徑大，流動性強(qiáng)，不受通視條件限制的特點，體現(xiàn)了靈活性。但 GPSRTK 有一個致命問題就是高程的誤差，GPS 使用的高程數(shù)據(jù)為大地高，所以要有高程擬合數(shù)據(jù)，特別不適合在山地使用，因此在高程數(shù)據(jù)上有欠缺，并且該工地樹林密集，地形復(fù)雜（見圖3）特別影響 GPS 信號的傳輸。

圖3 地形復(fù)雜的中山大學(xué)·深圳項目III平面圖

GPS 在有些地形條件限制的范圍無法收到信號，導(dǎo)致其不能采集數(shù)據(jù)，因此要采用全站儀彌補(bǔ) GPS 的不足。在測量時選擇較遠(yuǎn)的圖根點作為測站定向點，并施測另一圖根點的坐標(biāo)和高程，作為測站檢核，對定向范圍進(jìn)行檢查，減少誤差，對各通視點進(jìn)行反算距離和全站儀測量距離進(jìn)行比較，驗證 GPS 測量結(jié)果的正確性，從而保證全站儀的精度。但是全站儀在工作中由于場地面積大，圖根點較遠(yuǎn)大大地增加了工作量，雖對地形影響較小但因測區(qū)較大，引測控制點距離增加，轉(zhuǎn)點增多，誤差增大，測量后還需要計算數(shù)據(jù)不僅增加工作量，工作效率也不高［3-4］。

3.4 比較結(jié)果

儀器對比結(jié)果如表1 所示。

4 結(jié) 語

全站儀和 GPS-RTK 配合使用的優(yōu)點如下。

1）GPS 精度滿足條件的情況下長距離引點為全站儀作業(yè)提供基礎(chǔ)測量控制點。

2）GPS 和全站儀同步作業(yè)時，RTK 在一個基站點上為全站儀測量對點和檢查點，使全站儀作業(yè)避免了連續(xù)的轉(zhuǎn)站，消除了誤差的連續(xù)積累，同時對放樣點進(jìn)行了校核和檢查。

3）全站儀的測量功能彌補(bǔ)了 GPS 因衛(wèi)星信號及基站電臺信息接收不正常而不能正常工作的缺點。

4）兩種方法的結(jié)合使用，節(jié)省了費用，提高了工作效率。

在傳統(tǒng)測量中全站儀起著至關(guān)重要的作用，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在 GPS 越來越能代替全站儀的功能，提高工作效率的同時提高精度，但是全站儀在某些方面還是有著不可替代的作用，比如隧道和礦井中，這是 GPS 幾乎不可能做到的，所以現(xiàn)在的工程中都是把兩者結(jié)合使用，最大限度地發(fā)揮出兩者的優(yōu)點，提高測量的精度、速度、效率和節(jié)省人力物力，希望這兩者的結(jié)合能帶給我們更多的便利。